[논문]철근의 배근위치가 다른 철근콘크리트 부재의 거동 분석

김지현; 이정윤

문제 정의

이 연구에서는 철근의 배근 위치에 따라서 달라지는 핀칭효과를 규명하고 이를 이용하여 배근에 따라서 달라지는 부재의 연성을 예측하였다.
본 논문에서는 철근의 배근 위치가 다른 4개의 실험체에 대하여 각각의 핀칭효과를 규명하고 이를 이용하여 배근에 따라서 달라지는 부재의 연성을 예측하였다. 전단강도 및 최대 변형률은 철근의 배근각도가 콘크리트의 주웅력 방향(0도나 90도에 가까워짐에 따라서 증가함을 알 수 있었다.

가설 설정

철근은 I 방향과 t방향에 배근 되어 있으며 콘크리트 판요소의 주응력 방향은 1과 2방향이다. 변형률의 적합 조건을 이용한 트러스모델에서는 외력에 의한 주압축 응력 각도가 균열 각도 a와 일치한다고 가정한다.

제안 방법

이 연구에서는 기존 연구자가 제안한 변형률의 적합조건을 이용한 트러스모델을 이용하여 부재의 거동을 예측하였다. 그림 1은 면내 응력을 받아 균열이 발생한 철근콘크리트 판요소를 나타낸다.
이 연구에서는 변형률 적합조건을 이용한 트러스 모델을 이용하여 단조하중을 받는 세 요소의 웅력- 변형률 관계를 해석적으로 계산하였다. 해석에서는 철근의 배근 각도를 0도(콘크리트 주응력 방향=철근배근방향)에서부터 90도로 변화시키며 각각의 각도에서의 부재의 최대 전단력 및 최대전단력에 상응하는 전단변형률을 계산하였다.
관계를 해석적으로 계산하였다. 해석에서는 철근의 배근 각도를 0도(콘크리트 주응력 방향=철근배근방향)에서부터 90도로 변화시키며 각각의 각도에서의 부재의 최대 전단력 및 최대전단력에 상응하는 전단변형률을 계산하였다. 표 1은 해석에 사용된 부재의 재료적 특징을 나타낸다.
5도, 45도로 구분한 4개의 실험체명과 변수를 표시하고 있다. 해석에서는 이들 4개의 실험체외에도 각도를 O.OOlradian으로 증분하면서 철근 각도의 변화에 따라서 달라지는 부재의 거동을 예측하였다. 그림 2는 해석에서 계산된 전단강도비와 각도 및 전단변형률비와 각도의 관계를 나타낸다.
전단강도 및 전단변형률의 증가하는 비율은 각도에 따라서 선형적으로 증가하거나 감소하는 것이 아니라 45도로부터 약 25도 전후에서는 증가비율이 매우 작지만 그 이후에는 증가 비율이 급속하게 커짐을 알 수 있다. 이와 같은 현상을 보다 명확히 규명하기 위하여 이 연구에서는 표 1과 같이 각각 0도, 10도, 22.5도, 45도로 철근이 배근된 부재의 거동을 비교.분석하였다.

이론/모형

이러한 면내응력을 받는 철근콘크리트 막요소에 대한 연구는 Collins 등力, Hsu 등*에 의하여 활발히 이루어졌다. ColUns 등은 순수전단을 받는 철근콘크리트 막요소의 전단응력-전단변형률 관계를 수정압축장이론(Modified Compression Field Theory, MCFT)에 의하여 예측하였고, 이를 철근 및 프리스트레스 콘크리트 보의 전단강도 예측에 적용하였다. Hsu 등은 회전각연화트러스모델(Rotated Angle Softened Truss Model, RA-STM)을 제안하여 철근콘크리트 막요소의 전단거동을 예측하였다.

성능/효과

적합조건을 이용한 트러스 모델에서 부재는 철근이 항복한 이후에 콘크리트의 압축응력(法)이 유효압축강도(W*)에 도달할 때 파괴된다. 그림 3(b)와 같이 S23과 S45 실험체의 경우는 콘크리트가 부담하는 압축응력이 크기 때문에 S00과 S10 실험체보다 빠른 단계에서 유효압축강도에 도달하였고 따라서 S00과 S10 실험체의 파괴시의 전단변형률이 S23과 S45 실험체의 전단변형률보다 컸다. 그림 2에서 전단변형률과 전단응력이 갑자기 변화하는 이유는 철근의 항복여부로 설명할 수 있다.
그림 2에서 전단변형률과 전단응력이 갑자기 변화하는 이유는 철근의 항복여부로 설명할 수 있다. 그림 3(c)에서 실험체 S00과 S10의 경우는 양 방향 철근 중에서 한 쪽 방향 철근만이 인장 항복하여(다른 쪽 철근은 압축이나 탄성 상태) 콘크리트의 부담응력이 작은 반면에 실험체 S23과 S45의 경우는 양 방향 철근이 모두 항복함으로써 콘크리트의 부담응력이 커지고 이에 따라서 전단강도와 전단변형률도 현저하게 감소됨을 알 수 있었다.
배근에 따라서 달라지는 부재의 연성을 예측하였다. 전단강도 및 최대 변형률은 철근의 배근각도가 콘크리트의 주웅력 방향(0도나 90도에 가까워짐에 따라서 증가함을 알 수 있었다. 또한 증가하는 비율은 각도에 따라서 선형적으로 증가하거나 감소하는 것이 아니라 45도부터 약 25도 전후에서는 증가비율이 매우 작지만 그 이후에는 증가 비율이 급속하게 커짐을 알 수 있었다.
전단강도 및 최대 변형률은 철근의 배근각도가 콘크리트의 주웅력 방향(0도나 90도에 가까워짐에 따라서 증가함을 알 수 있었다. 또한 증가하는 비율은 각도에 따라서 선형적으로 증가하거나 감소하는 것이 아니라 45도부터 약 25도 전후에서는 증가비율이 매우 작지만 그 이후에는 증가 비율이 급속하게 커짐을 알 수 있었다. 이러한 현상이 나타나는 이유는 철근이 주 응력방향에 가까운 쪽에 배근된 실험체는 철근이 각각 인장과 압축을 저항하여 압축력을 콘크리트와 철근이 함께 부담하고, 철근이 주 응력방향에 가까운 쪽에 배근되지 않은 실험체는 철근이 인장만을 저항하여 압축력을 콘크리트가 전부 부담하기 때문이다.
이러한 현상이 나타나는 이유는 철근이 주 응력방향에 가까운 쪽에 배근된 실험체는 철근이 각각 인장과 압축을 저항하여 압축력을 콘크리트와 철근이 함께 부담하고, 철근이 주 응력방향에 가까운 쪽에 배근되지 않은 실험체는 철근이 인장만을 저항하여 압축력을 콘크리트가 전부 부담하기 때문이다. 따라서 철근이 주응력 방향에 가까운 쪽에 배근된 실험체는 그렇지 않은 경우보다 콘크리트가 부담하는 압축응력이 작으므로 늦은 단계에서 유효압축강도에 도달하여 실험체 파괴시의 전단변형률이 상대적으로 컸다.
결론적으로 철근콘크리트 부재의 핀칭효과와 연성은 철근의 배근위치에 따라서 영향을 받는다는 것을 알 수 있었고 각도에 따른 부재의 연성은 선형적으로 변하는 것이 아니라 일정 구간에서는 증가 비율이 작고 일정 구간에서는 증가 비율이 급속히 큰 것을 알 수 있었다.

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